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1Institut Algérien du pétrole
IAP
LES DÉBITMÈTRE 1ère Partie : A ORGANE DÉPRIMOGÈNE
2ème Partie : A TURBINE
École d’Ingénieurs de Boumerdès - Département d’InstrumentationMonographie sur
REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE
INSTITUT ALGERIEN DU PETROLE (IAP)
IAP
Année universitaire 2006-2007
Présenté par Présenté par :: M. FITAS MOUNIR M. FASLA AZEDDINE
Dirigé par Dirigé par :: M .BOUDERBALA
1ère Partie : Débitmètre à organe déprimogène.
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Introduction
Généralités
Mesure de débit
Les organes déprimogènes ( diaphragme , venturi, tuyère)
Comparaison des organes déprimogènes
Application à la mesure de débit massique d’un gaz
1ère Partie : Débitmètre à organe déprimogène.
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Il est habituellement mesuré par déduction, en mesurant la vitesse moyenne à travers une section connue.
Le débit mesuré par cette méthode indirecte est le débit volumique: Qv = S . V
QQVm
.ρ
Le débit volumique Qv : (en m3/s)
Le débit massique Qm : (en kg/s)
En appelant , la masse volumique du fluide (en kg/m3)
S
SV
Volume
l
Aire (superficie)
(Vitesse)
Le débit d’un fluide est la quantité de matière qui traverse une section droite d’une
canalisation pendant l’unité de temps.
Introduction
1ère Partie : Débitmètre à organe déprimogène.
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Les Pertes de charge
Les pertes de charge sont la diminution de la pression totale entre deux sections d'un écoulement. Elles s'expriment en mètres de colonne d'eau (MCE) et sont fonction de:
La section du tuyau
Du débit véhiculé
La nature du liquide.
1ère Partie : Débitmètre à organe déprimogène.
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Le choix d’un capteur de débit repose sur 3 critères:
Nature du fluide transporté (liquide ou gaz);
Type de signal de mesure;
Analogique, numérique ou logique.
La grandeur directement mesurée:
Vitesse, masse ou volume.
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Nombre de Reynolds
Permet de connaître le comportement de l'écoulement d'un liquide.
Sans dimension et se calcule comme suit:
Rv D
e
= Vitesse du liquide du liquide (m/s)
= Densité du liquide (kg/m3)
D = Diamètre interne du conduit (m)
= viscosité du liquide (en Pa.s)
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ÉCOULEMENT LAMINAIRE
Si Re < 2100.
Les filets de liquides sont rectilignes.
ÉCOULEMENT TURBULENT
Si Re > 4000.
Déplacement du liquide en tourbillonnant
+ Re est grand , + le fluide est parfait.
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Facteurs influant sur l'écoulement des fluides dans les conduites :
Vitesse du fluide
Frottement de la conduite
Viscosité dynamique du fluide
Masse volumique du fluide
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EXEMPLES de calculs
EAU ( = 1000 kg/m3, = 10-3 Pa·s)
100010
1.01001.03
3
Dv
Re
1000010
1.0101.03
3
Dv
Re
Vitesse de 0.1 m/s et conduite de 0.1 m:Vitesse de 0.1 m/s et conduite de 0.1 m:
Vitesse de 0.01 m/s et conduite de 0.1 mVitesse de 0.01 m/s et conduite de 0.1 m:
1ère Partie : Débitmètre à organe déprimogène.
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La loi de Bernouilli :
Mesurer le débit d'un fluide peut aussi s'effectuer par le biais de capteurs de
pression. L'idée la plus simple consiste à mesurer la pression en deux points
suffisamment distants d'une canalisation et en tenant compte de la perte de charge.
On pourra en déduire par le calcul le débit. Ce procédé présente l'inconvénient si
l'on désire une bonne résolution et une bonne sensibilité d'imposer une distance
importante entre les deux capteurs, on a donc imaginé de générer localement une perte
de charge importante en jouant non sur la distance mais sur la géométrie de la
canalisation ce qui permettra alors de faire une mesure de pression différentielle en un
seul point quasiment.
On va donc pour cela exploiter la loi de Bernouilli Bernouilli qui exprime la relation entre
débit et perte de charge lors d'un changement de section de la canalisation.
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Mesure de débit par organe déprimogène
L'une des technique les plus utilisées.
Repose sur le théorème de Bernouilli:
Le long d'un écoulement de fluide parfait (viscosité nulle), la pression ou charge totale est constante.
tecpgzv
2
2
Définition des variables
: densité du fluide
v : vitesse moyenne d’écoulement
g : 9.81 m /s2
z : élévation moyenne
p : pression statique
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Organes déprimogènes
1) Principe de conservation de masse :
vgz p
vgz p1
2
1 122
2 22 2
2) Théorème de Bernouilli :
BBBAAAm SvSvQ ....
Un resserrement de la conduite ou un changement de section créent entre amont et aval une différence de pression P liée au débit , et on transforme une partie de l’énergie de pression en énergie cinétique.
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À partir de l’équation de Bernoulli, on trouve que:
Cette équation gouverne l’écoulement d’un fluide incompressible soumis à un changement de
pression dû à une variation de la section d’écoulement
Elle s’applique aux débitmètres suivants
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Organes déprimogènes
Les termes d'élévation sont négligeables.
Il se produit un changement de pression statique:
p p p v v
v vA
Av
1 2 22
12
22
22 2
1
2
22 4
2
2 21
1ère Partie : Débitmètre à organe déprimogène.
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Organes déprimogènes
Q v A A E p
E
2 2 2
4 0 5
2
1
.
La mesure est non-linéaire
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Coefficient de contraction – Cc < 1
Dépend:
du nombre de Reynolds
de du type et de l’emplacement des prises de pression
du capteur de pression
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Coefficient de décharge C
Égal au produit Cc x Cv
Varie de 0.6 (plaque à orifice) à 0.99 (Venturi)
Nouvelle formule pour le débit:
Q C A E p A p 2 2
2 2
Coefficient de débit
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Équation utilisée en pratique
Q A p
21
2
Table des facteurs de calibrage
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Les différents organes déprimogène
Tout débitmètre à organe déprimogène est donc constitué de deux éléments : Un obstacle (responsable d’une p ) Un capteur de pression différentielle ( mesure de la p )
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a. Le diaphragme
On intercale dans la conduite une plaque à orifice aux bornes
de laquelle on mesure la pression différentielle engendrée par cette plaque.
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a. Le diaphragme
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• Utilisation
Le débit massique est obtenu par calcul à partir de la mesure de ΔP et de la
connaissance de coefficients propres à la plaque à orifice.
Les longueurs droites amont et aval à respecter sont importantes.
C’est une technique de mesure bien maîtrisée, de mise en oeuvre facile et
peu onéreuse.
• Caractéristiques métrologiques
– Erreur de mesure de l’ordre de 1 %
– Dynamique de mesure faible
– Perte de charge importante
– Meilleur mesurage en écoulement turbulent
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b. Les Venturis
Obstacle dont le diamètre diminue progressivement jusqu'à un minimum, avant de réaugmenter
progressivement.
Il est le plus coûteux des débitmètres par pression différentielles (fabrication plus
complexe, géométrie très précise)
Induit relativement peu de perte de charge
Le débit est simplement calculé à partir de la mesure expérimentale de P
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b. Les Venturis
Pour un Venturi à l’horizontal, z1 et z2 ont la même valeur.
Les termes gρz1 et gρz2 s’annulent mutuellement
L’équation inclus un coefficient de décharge C qui prend en compte des phénomènes non
pris en compte dans l’équation de Bernoulli
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Le coefficient C dépend:
Rapport des diamètresRapport des diamètres, , ββ = D2/D1 = D2/D1
Nombre de ReynoldsNombre de Reynolds, , Re Re = = ρρVD/μVD/μ
On peut utiliser des coefficients de décharge issus de la documentation technique , on
propose des valeurs de C pour des tubes Venturi fabriqués selon des spécifications précises
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Bilan des Venturi:
Fiables
Simples
Ne requièrent souvent aucun calibrage
Induisent peu de pertes de charge de 10 à 14 %;
Ne doivent pas être utilisés avec des fluides qui engendrent des dépôts à la surface des
conduites ( Perte du calibrage )
Ils ne sont utilisables que pour des plages d’écoulement relativement étroites
• La différence de pression est fonction du carré du débit
• Pour des faibles débits (10% du débit max) la différence de pression devient très faible
(1% de P max) donc plus difficilement mesurable
Exigent Re > 150 000.
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c. Les tuyères
Obstacle dont le diamètre diminue progressivement jusqu'à un minimum.
Prises de pression à D et 0.5 D.
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Perte de charge de 5 %;
Utilisées dans des conduites de 25 à 1500 mm;
Fluides avec matières en suspension;
Gaz et vapeurs;
Précision jusqu'à ± 0.7 %;
Exigent Re > 50 000.
Bilan des tuyères
1ère Partie : Débitmètre à organe déprimogène.
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Alors qu’aux Etats-Unis la norme la plus utilisée pour ce type de calculs est l’API 2530,
en Europe, la référence est la norme ISO 5167-1.
Cette norme traite de la forme et des conditions d’emploi des différents appareils
déprimogènes, et donne également des informations relatives au calcul du débit et des
incertitudes associées.
La norme ISO 5167-1
1ère Partie : Débitmètre à organe déprimogène.
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Comparaison des organes déprimogène
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Les Pertes de charge en fonction de
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Application à la mesure de débit massique d’un gaz
PKP
KQQ mVVm
.....
TRM
TRM
m
VP ...
1...
1 M
mp.V = n.R.T ou encore puisque
T
Pk. P
T
PKQm ..
M : la masse molaire du gaz parfait
1ère Partie : Débitmètre à organe déprimogène.
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Conclusion
Un des principaux avantages de ces débitmètres à organe déprimogène est qu’il
n’est pas nécessaire de passer par une calibration, à partir du moment où ils ont été conçu
conformément aux normes établies. De plus, ils ne possèdent pas de parties mobiles, et par
conséquent, ils restent fiables dans le temps.
Parmi les principaux inconvénients , il y a leur rangeabilité limitée , la perte de
charge qu’ils provoquent sur l’installation, et leur sensibilité au comportement de
l’installation ( afin de minimiser cette sensibilité, on placera une certaine longueur en amont,
et en aval du débitmètre).
Cette rapide revue des moyens de mesurage montre la diversité des techniques et
par conséquent les multiples précautions à prendre pour effectuer un choix judicieux et
adapté tant aux détails techniques qu’au budget dont dispose l’instrumentiste.
1ère Partie : Débitmètre à organe déprimogène.
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Merci de votre attention
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